JP2003021567A - Micro high-vacuum pressure sensor - Google Patents
Micro high-vacuum pressure sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロチップそ
の他のマイクロエレクトロニクスデバイスの周囲の低圧
環境を保持するための低圧マイクロエンクロージャ(mic
roenclosure)に関し、特に、低圧マイクロエンクロージ
ャ内に収容されて10-4〜10-8Torrの範囲の内圧を測定す
るマイクロ高真空圧力センサに関する。The present invention relates to a low pressure microenclosure (mic) for maintaining a low pressure environment around a microchip or other microelectronic device.
Roenclosure), and more particularly to a micro high vacuum pressure sensor housed in a low pressure microenclosure for measuring internal pressure in the range of 10 -4 to 10 -8 Torr.
【０００２】[0002]
【従来の技術】過去40年の間に、コンピュータ内のプロ
セッサ及びメモリ素子として使用される複雑な集積回路
を製造するために、半導体製造分野において、極めて精
度が高く、複雑で、洗練された方法が開発されてきた。
コンピュータ制御は多くの異なるタイプの技術分野に適
用されている。半導体製造技術により製造されるマイク
ロチップその他のデバイスは、自動車、通信システム、
工作機械、及びその他の多くの装置を含む広範なエレク
トロメカニカルデバイス及びシステムにおける一般的な
構成要素となっている。より最近では、半導体製造技術
は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）と
呼ばれる新たに現れてきた技術分野でとても小さなエレ
クトロメカニカルデバイスを製造するためにも適用され
ている。2. Description of the Related Art During the last 40 years, extremely accurate, complex and sophisticated methods in the semiconductor manufacturing field for manufacturing complex integrated circuits used as processors and memory devices in computers. Has been developed.
Computer control has been applied to many different types of technical fields. Microchips and other devices manufactured by semiconductor manufacturing technology are used in automobiles, communication systems,
It has become a common component in a wide range of electromechanical devices and systems, including machine tools and many other devices. More recently, semiconductor manufacturing technology has also been applied to manufacture very small electromechanical devices in an emerging field of technology called microelectromechanical systems (MEMS).
【０００３】特定のMEMSデバイスは、その動作のために
非常に低圧の部分真空の環境を必要とする。図１は、特
定のタイプの低圧MEMSデバイスを示している。微細加工
されたMEMSデバイス101は、内部の低圧環境を10-4Torr
未満の内圧に維持するために気密性のマイクロエンクロ
ージャ103内に収容される。微細加工されたMEMSデバイ
ス101は、内部信号線105及びコネクタ又はアダプタ107
を介して外部回路に接続される。微細加工されたMEMSデ
バイス101は、数百又は数千という小さな機械部品又は
電気機械部品を含むマイクロチップとすることが可能な
ものである。気密性のマイクロエンクロージャ103は、
数インチ〜数分の１インチ程度の直線寸法を有する場合
がある。Certain MEMS devices require a very low pressure, partial vacuum environment for their operation. FIG. 1 illustrates a particular type of low voltage MEMS device. The microfabricated MEMS device 101 has an internal low pressure environment of 10 -4 Torr
It is housed in an airtight microenclosure 103 to maintain an internal pressure of less than. The finely processed MEMS device 101 includes an internal signal line 105 and a connector or adapter 107.
Connected to an external circuit via. The microfabricated MEMS device 101 can be a microchip containing hundreds or thousands of small mechanical or electromechanical components. The airtight microenclosure 103 is
It may have a linear dimension on the order of a few inches to a fraction of an inch.
【０００４】低圧マイクロエンクロージャは、10-5Torr
未満の内圧で製造することが可能であるが、マイクロエ
ンクロージャ内の圧力は、漏れ、マイクロエンクロージ
ャ又はマイクロデバイス材料の昇華、又はマイクロエン
クロージャ内の微細加工されたMEMSデバイスの動作時に
生じる金属層の気化に起因して、時間と共に徐々に高く
なる可能性がある。内圧が一定のしきい値を超えて上昇
すると、封入されたMEMSデバイスの性能が許容可能な性
能範囲より低いレベルまで劣化し、又は該デバイスが全
く動作しなくなる可能性がある。封入されたMEMSデバイ
スの性能が劣化し、又は封入されたMEMSデバイスが動作
しなくなると、該封入されたMEMSデバイスを構成部品と
して含む装置が急に動作しなくなる可能性がある。Low pressure microenclosures are 10 -5 Torr
Although it is possible to manufacture with an internal pressure of less than, the pressure within the microenclosure causes leakage, sublimation of the microenclosure or microdevice material, or vaporization of the metal layer that occurs during operation of the micromachined MEMS device within the microenclosure. Due to, may increase gradually over time. If the internal pressure rises above a certain threshold, the performance of the encapsulated MEMS device may degrade to a level below the acceptable performance range, or the device may fail altogether. When the performance of the encapsulated MEMS device deteriorates or the encapsulated MEMS device stops operating, an apparatus including the encapsulated MEMS device as a component may suddenly stop operating.
【０００５】MEMS圧力センサを含む多数の異なるMEMS圧
力関連デバイスが開発されてきた。図２Ａ及び図２Ｂ
は、典型的なMEMS圧力センサデバイスの２つの部分を示
したものである。該MEMS圧力センサデバイスは、図２Ａ
に示すセンサセルと図２Ｂに示す基準セルとの間のキャ
パシタンスの差を、該MEMS圧力センサデバイスを収容す
る環境内の圧力に関連付ける。MEMS圧力センサデバイス
は、標準的な半導体製造技術により、ドープドシリコン
基板、二酸化シリコン層、及び該二酸化シリコン層とド
ープドシリコン層との間からエッチングにより形成され
た空洞から形成される。センサセル202及び基準セル204
の構造は全く同様である。センサセル202は、P型シリコ
ン基板206を含み、該基板内に、標準的な半導体製造技
術によってNウェル208が形成される。空洞210は、Nウェ
ル208の表面の上方に位置する。該空洞の壁部はフィー
ルド酸化層212から形成される。ポリシリコン層を含む
薄い弾性隔膜214が前記空洞上に位置する。更なる二酸
化シリコン層216が弾性隔膜214上に位置する。該更なる
二酸化シリコン層216がエッチングされて、空洞210の上
方の弾性隔膜214上に載置された矩形の突起体218が形成
される。周囲圧力によって、該突起体と、該突起対体が
載置されている隔膜214とが、空洞210内の圧力が周囲圧
力と等しくなるまで、該空洞210の内方に向かって押圧
される。該弾性隔膜214とNウェル208とが相まってコン
デンサの平行板を形成し、該平行板に印加された所与の
電位差に関してコンデンサ内に格納される電荷の量は、
該平行板間の距離に反比例するものとなる。基準セル20
4は概ねセンサセルと同じであるが、センサセルと異な
る点は、基準セルの上部の二酸化シリコン層220が突起
体を形成するようエッチングされず、基準セル226のフ
ィールド酸化層内に付加的な支柱222〜224が残されて、
基準セルの隔膜228が基準セルのNウェル230から一定の
距離に維持されるようになっている点である。センサセ
ルコンデンサ内に格納されている電荷に対する基準セル
コンデンサ内に格納されている電荷の差を測定すること
により、基準セルの隔膜228とNウェル230との間の距離
に対する、センサセル内の突起体218の内方への変位
を、電子的に測定することができる。次いで、該測定さ
れた変位は、センサセルを包囲する周囲圧力に直接関連
するものとなる。Many different MEMS pressure related devices have been developed, including MEMS pressure sensors. 2A and 2B
Shows two parts of a typical MEMS pressure sensor device. The MEMS pressure sensor device is shown in FIG.
The difference in capacitance between the sensor cell shown in FIG. 2 and the reference cell shown in FIG. 2B is related to the pressure in the environment housing the MEMS pressure sensor device. The MEMS pressure sensor device is formed by standard semiconductor fabrication techniques from a doped silicon substrate, a silicon dioxide layer, and a cavity etched between the silicon dioxide layer and the doped silicon layer. Sensor cell 202 and reference cell 204
The structure of is exactly the same. The sensor cell 202 includes a P-type silicon substrate 206 in which an N-well 208 is formed by standard semiconductor manufacturing techniques. Cavity 210 is located above the surface of N-well 208. The walls of the cavity are formed from field oxide layer 212. A thin elastic diaphragm 214 including a polysilicon layer overlies the cavity. An additional silicon dioxide layer 216 overlies the elastic diaphragm 214. The additional silicon dioxide layer 216 is etched to form a rectangular protrusion 218 mounted on the elastic diaphragm 214 above the cavity 210. Ambient pressure pushes the prongs and the diaphragm 214 on which the prong pair rests inwardly of the cavity 210 until the pressure in the cavity 210 equals the ambient pressure. The elastic diaphragm 214 and N-well 208 together form a parallel plate of a capacitor, and for a given potential difference applied to the parallel plate, the amount of charge stored in the capacitor is
It is inversely proportional to the distance between the parallel plates. Reference cell 20
4 is generally the same as the sensor cell, except that the silicon dioxide layer 220 on top of the reference cell is not etched to form protrusions, and the additional pillars 222 in the field oxide layer of the reference cell 226. ~ 224 left behind,
This is that the diaphragm 228 of the reference cell is maintained at a constant distance from the N well 230 of the reference cell. By measuring the difference between the charge stored in the reference cell capacitor and the charge stored in the sensor cell capacitor, the protrusion in the sensor cell relative to the distance between the reference cell diaphragm 228 and the N-well 230. The inward displacement of 218 can be measured electronically. The measured displacement is then directly related to the ambient pressure surrounding the sensor cell.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】残念なことに、隔膜ベ
ースのMEMS圧力センサデバイスは、図１に関して説明す
る低圧マイクロエンクロージャ内の多くの低圧MEMSデバ
イスにとって望ましい10 -1〜10-8Torrの範囲の低圧の差
圧に対してはあまり感度がよくないものとなる。更に、
隔膜ベースのMEMS圧力センサの性能は、空洞内における
漂積物の蓄積によって時間と共に劣化し得る。他のタイ
プの圧力センサは、微細作製された(microfabricated)M
EMSデバイスのための低圧エンクロージャ内に収容する
にはあまりも大きく、また低圧エンクロージャ内の圧力
を外部から測定するための、信頼性があり、感度が高
く、及び低コストの技術は開発されていない。このた
め、微細作製されたMEMSデバイスその他のマイクロエレ
クトロニックデバイス及び回路のための低圧エンクロー
ジャの設計者及び製造者は、かかる低圧エンクロージャ
内の圧力を正確に監視するための方法及びシステムの必
要性を認識することとなった。Unfortunately, the diaphragm membrane is unsatisfactory.
The MEMS pressure sensor device described in FIG.
Many low voltage MEMS devices in low voltage microenclosures
10 desirable chairs -1~Ten-8Low pressure difference in the Torr range
It is not very sensitive to pressure. Furthermore,
The performance of a diaphragm-based MEMS pressure sensor is
Accumulation of debris can degrade over time. Other thailand
Pressure sensor is a microfabricated M
Housed in a low pressure enclosure for EMS devices
Too large and also the pressure in the low pressure enclosure
Reliable and sensitive for externally measuring
Low and low cost technologies have not been developed. others
Therefore, microfabricated MEMS devices and other
Low voltage enclosure for ktronic devices and circuits
Ja designers and manufacturers
The need for methods and systems for accurate monitoring of pressure in
The necessity was recognized.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、低圧マイクロ
チップエンクロージャ内に収容するための、周知のマイ
クロチップ製造技術により製造することが可能な、マイ
クロ高圧圧力センサを提供する。第１の実施形態では、
誘電体層の表面上に形成された小さな導電性機構が、短
い距離だけ離隔されて高い電位差に保持され、これによ
り該機構間に電界が生成される。該電界内で自続放電が
形成される。放電された電子は、気体分子と衝突する際
に、該気体分子をイオン化させて別の自由電子を生じさ
せるだけの十分なエネルギーを該気体分子に提供するこ
とが可能である。該イオンが陰極表面で再結合する際に
二次放出によって更に多くの電子が供給されることにな
り、これにより、該陰極に結合された回路内に検出可能
な電流が生成される。この電流は、周知の電流測定装置
により回路内で検出することができ、低圧エンクロージ
ャ内の内圧に関連するものとなる。第２の実施形態で
は、電界放出器又は熱電子放出器により放出された電子
によって気体分子がイオン化され、その結果として生じ
る正のイオンが回路内に含まれるイオン収集表面に引き
寄せられ、該イオン収集表面上でのイオンの再結合によ
り生成される電流を周知の電流検出法により該回路にお
いて検出することが可能となる。第１の実施形態の場合
と同様に、該電流は低圧エンクロージャ内の圧力に関連
するものとなる。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a micro high pressure sensor for housing in a low pressure microchip enclosure, which can be manufactured by well known microchip manufacturing techniques. In the first embodiment,
Small conductive features formed on the surface of the dielectric layer are held at a high potential difference separated by a short distance, which creates an electric field between the features. A self-sustaining discharge is formed in the electric field. The discharged electrons are capable of providing the gas molecules with sufficient energy to ionize the gas molecules and produce other free electrons when colliding with the gas molecules. As the ions recombine at the cathode surface, the secondary emission will supply more electrons, thereby producing a detectable current in the circuit coupled to the cathode. This current can be detected in the circuit by known current measuring devices and is related to the internal pressure in the low pressure enclosure. In a second embodiment, the gas molecules are ionized by the electrons emitted by the field or thermionic emitter, and the resulting positive ions are attracted to the ion collection surface contained within the circuit, The current generated by the recombination of ions on the surface can be detected in the circuit by known current detection methods. As in the first embodiment, the current is related to the pressure in the low pressure enclosure.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】本発明は、動作するために低圧環
境を必要とする、微細作製されたMEMSデバイスその他の
マイクロエレクトロニックデバイスのための低圧エンク
ロージャに関するものである。製造後、低圧エンクロー
ジャ内の初期の低圧環境は時間と共に劣化する可能性が
あり、該劣化は、圧力の上昇並びに最終的には封入され
たマイクロエレクトロニックデバイスの不具合に通ずる
ものとなる。かかる不具合を未然に防止するために、低
圧エンクロージャ内の圧力を継続的に又は規則的な間隔
で測定することが望ましい。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a low voltage enclosure for microfabricated MEMS devices and other microelectronic devices that require a low pressure environment to operate. After manufacture, the initial low pressure environment within the low pressure enclosure can degrade over time, leading to increased pressure and ultimately failure of the encapsulated microelectronic device. To prevent such malfunctions, it is desirable to measure the pressure within the low pressure enclosure continuously or at regular intervals.
【０００９】低圧エンクロージャが小さなものであるた
め、外部的な方法により内部の圧力を測定するのは困難
である。本発明者は、回路に電子的に接続された小さな
電子圧力センサを低圧エンクロージャ内に収容して、低
圧エンクロージャに孔をあけることなく、また低圧エン
クロージャが収容されているエレクトロニックデバイス
を分解することなく、低圧エンクロージャ内の内圧を継
続的に若しくは規則的な間隔で監視することが望ましい
ことに気付いた。Due to the small size of the low pressure enclosure, it is difficult to measure the internal pressure by external means. The inventor has housed a small electronic pressure sensor electronically connected to a circuit in a low pressure enclosure without puncturing the low pressure enclosure and without disassembling the electronic device in which the low pressure enclosure is housed. Found that it is desirable to monitor the internal pressure in a low pressure enclosure continuously or at regular intervals.
【００１０】本発明の様々な代替的な実施形態を表すマ
イクロ圧力センサの第１組の実施形態を図３(a)〜(c)に
示す。該第１組の実施形態は、誘電体層の表面上に形成
された小さな導電性機構が短い距離だけ離隔され、及び
外部の電圧源に接続されて、導電性機構間に比較的大き
な電位差を誘導し、該導電性機構間に電界を生成する、
代替的な実施形態を含むものである。該電界内に自続放
電が形成される。電子は陽極に向かって移動する。電子
は、分子と衝突する際に該分子をイオン化させて別の自
由電子を生じさせるだけの十分なエネルギーを供給する
ことが可能である。該イオンが陰極表面で再結合する際
に、二次放出によって更に多くの電子が供給されること
になる。気体の密度が高くなると、イオンを生成する衝
突の機会が増え、陰極と陽極との間により多くの電流が
生じることになる。宇宙線又は雑音が該自続放電を開始
させる。この電流は、次の実験式により、低圧エンクロ
ージャ内の内圧と関連付けすることができる。A first set of embodiments of micro pressure sensors representing various alternative embodiments of the present invention is shown in FIGS. 3 (a)-(c). In the first set of embodiments, small conductive features formed on the surface of the dielectric layer are separated by a short distance and connected to an external voltage source to provide a relatively large potential difference between the conductive features. Induce and generate an electric field between the conductive mechanisms,
It includes alternative embodiments. A self-sustaining discharge is formed in the electric field. The electrons move toward the anode. The electron is capable of supplying enough energy to ionize the molecule and produce another free electron when it collides with the molecule. As the ions recombine at the cathode surface, the secondary emission will supply more electrons. Higher gas densities increase the chances of collisions that produce ions, resulting in more current flow between the cathode and anode. Cosmic rays or noise initiate the self-sustaining discharge. This current can be related to the internal pressure in the low pressure enclosure by the following empirical formula.
【００１１】[0011]
【数１】I＝αPx
ここで、αは定数、Pは内圧、xは実験的に導出された値
（概ね1.1〜1.4）である。## EQU1 ## I = αP x Here, α is a constant, P is an internal pressure, and x is an experimentally derived value (generally 1.1 to 1.4).
【００１２】図３(a)は、マイクロ圧力センサの第１の
実施形態である。第１の導電性機構302及び第２の導電
性機構304は、誘電体基板308内の空洞306内に埋設され
ており、該誘電体基板308は、ウェル状の空洞の底部に
沿ってそれぞれ１つの導電性機構（302,304）を含み鏡
面対称の関係にある２つの基板構成要素310,312を共に
結合することにより形成されたものである。完成したデ
バイス内の空洞は、１つ又は２つ以上のアパーチャ314
を介して該デバイスを収容するエンクロージャ内の低圧
環境と連絡するものとなる。FIG. 3A shows a first embodiment of the micro pressure sensor. The first conductive mechanism 302 and the second conductive mechanism 304 are embedded in the cavity 306 in the dielectric substrate 308, and the dielectric substrate 308 is 1 along the bottom of the well-shaped cavity. It is formed by joining together two substrate components 310,312 that include two conductive features (302,304) and are in mirror symmetry. The cavity in the completed device has one or more apertures 314
Via a low pressure environment within the enclosure containing the device.
【００１３】図３(b)は、マイクロ圧力センサの第２の
実施形態を示している。該第２の実施形態では、３つの
平行な導体ストリップ322,324,326が、非導電性の基板3
28上、又は表面誘電体層を有する基板上に形成される。
外側ストリップ322,324は、外部回路に接続することが
可能な導電性要素330に電気的に接続される。第３の内
側ストリップ326は、前記２つの外側ストリップ322,324
と平行であり、該２つの外側ストリップの中間に配置さ
れる。該第３の内側ストリップ326もまた外部回路に接
続される。２つの外側ストリップ322,324と第３の内側
ストリップ326との間に電界が生成され、該デバイスは
上記の原理に従って動作する。FIG. 3 (b) shows a second embodiment of the micro pressure sensor. In the second embodiment, three parallel conductor strips 322, 324, 326 form a non-conductive substrate 3
28 or on a substrate having a surface dielectric layer.
The outer strips 322,324 are electrically connected to a conductive element 330 that can be connected to an external circuit. The third inner strip 326 includes the two outer strips 322,324.
Parallel to and located intermediate the two outer strips. The third inner strip 326 is also connected to external circuitry. An electric field is created between the two outer strips 322,324 and the third inner strip 326 and the device operates according to the principles described above.
【００１４】図３(c)は、マイクロ圧力センサの第３の
実施形態を示している。該第３の実施形態では、環状の
導電性ストリップ332,334が、図３(b)に関して説明した
第２の実施形態における外側導電性ストリップ322,324
と同じ役割を該代替的な圧力センサにおいて果たす。該
第３の実施形態では、中間環状導電性ストリップ336
は、図３(b)に関して説明した第２の実施形態の内側導
電性ストリップ326と類似した役割を果たす。内側及び
外側環状ストリップ332,334は、環状導電性ストリップ
が堆積され又は環状導電性ストリップが固定される基板
340内に埋設された導電性要素338に結合させることが可
能であり、中間環状導電性ストリップ336は、第２の埋
設された導電性要素342に接続することが可能である。
該第３の実施形態の動作は、図３(a),(b)に関して説明
した第１及び第２の実施形態の動作と等価である。FIG. 3 (c) shows a third embodiment of the micro pressure sensor. In the third embodiment, the annular conductive strips 332,334 are the outer conductive strips 322,324 in the second embodiment described with reference to FIG. 3 (b).
Plays the same role in the alternative pressure sensor. In the third embodiment, the intermediate annular conductive strip 336
Plays a role similar to the inner conductive strip 326 of the second embodiment described with respect to FIG. 3 (b). The inner and outer annular strips 332, 334 are substrates on which the annular conductive strips are deposited or fixed.
An electrically conductive element 338 embedded within 340 can be coupled, and an intermediate annular electrically conductive strip 336 can be connected to a second embedded electrically conductive element 342.
The operation of the third embodiment is equivalent to the operation of the first and second embodiments described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).
【００１５】本発明の代替的な実施形態を表すマイクロ
圧力センサの第２組の実施形態を図４(a),(b)に示す。
該第２組の実施形態では、電界放出器構成要素が、半導
体又は誘電体基板上に微細作製され、及び陽極ターゲッ
トに対して大きな電位差に保持される。該電界放出器が
電子ビームを放出し、該電子ビームが該電界放出器とタ
ーゲット陽極との間の電界内で加速される。該電子ビー
ム内に浮遊する気体分子をイオン化させて、正の気体分
子イオンと更なる自由電子とを生成することが可能であ
る。該イオンは、電界放出器デバイスに対して負の電位
に保持された第３の導電性表面に引き寄せられる。これ
らの正の気体分子イオンが第３の導電性表面において再
結合する際に、該第３の導電性表面に接続された回路内
において、イオンにより誘導される小さな電流を検出す
ることができ、このイオンにより誘導される更なる電流
は、マイクロ圧力センサが収容されている低圧エンクロ
ージャ内の内圧を反映するものとなる。低圧エンクロー
ジャ内の内圧とイオンにより誘導される電流との間の関
係は、第１組の実施形態においてイオンにより誘導され
る電流を記述する先に示した実験式と類似した実験式に
より記述することが可能である。しかし、この実施形態
の場合、指数値「x」は１に近くなる。A second set of embodiments of micro pressure sensors representing an alternative embodiment of the present invention is shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).
In the second set of embodiments, field emitter components are microfabricated on a semiconductor or dielectric substrate and held at a large potential difference with respect to the anode target. The field emitter emits an electron beam, which is accelerated in the electric field between the field emitter and the target anode. It is possible to ionize gas molecules suspended in the electron beam to generate positive gas molecule ions and further free electrons. The ions are attracted to a third conductive surface held at a negative potential with respect to the field emitter device. When these positive gas molecule ions recombine at the third conductive surface, a small current induced by the ions can be detected in the circuit connected to the third conductive surface, The additional current induced by this ion will reflect the internal pressure in the low pressure enclosure in which the micro pressure sensor is housed. The relationship between the internal pressure in the low pressure enclosure and the ion induced current should be described by an empirical formula similar to the empirical formula shown above describing the ion induced current in the first set of embodiments. Is possible. However, for this embodiment, the exponent value "x" is close to 1.
【００１６】図４(a)は、マイクロ圧力センサの第４の
実施形態を示している。該第４の実施形態では、１つ又
は２つ以上の電界放出器先端部402が、誘電体及び金属
物質を交互に配置した層406を介して、半導体又は誘電
体基板404上に微細作製され、ターゲット陽極408に対し
て大きな電位差に保持されて、電子ビームを放出し、該
電子ビームがターゲット陽極408に向かって電界中で加
速される。この電子ビームは、該ビームの経路中に浮遊
する気体分子をイオン化させて正イオンを生成し、該正
イオンが、電界放出器先端部のベースに対して負の電位
に保持された第３の導電性表面410へ引き寄せられる。
これら正イオンが第３の導電性表面410において再結合
する際に、該第３の金属表面に接続された外部回路内で
小さなイオン電流を検出することができ、この電流は、
マイクロ圧力センサが収容されている低圧エンクロージ
ャ内の内圧を反映するものとなる。FIG. 4 (a) shows a fourth embodiment of the micro pressure sensor. In the fourth embodiment, one or more field emitter tips 402 are microfabricated on a semiconductor or dielectric substrate 404 via alternating layers of dielectric and metallic material 406. The electron beam is emitted while being held at a large potential difference with respect to the target anode 408, and the electron beam is accelerated in the electric field toward the target anode 408. The electron beam ionizes gas molecules suspended in the path of the beam to generate positive ions, which are held at a negative potential with respect to the base of the field emitter tip. Attracted to the conductive surface 410.
As these positive ions recombine at the third conductive surface 410, a small ionic current can be detected in an external circuit connected to the third metallic surface, which current is
It will reflect the internal pressure in the low pressure enclosure in which the micro pressure sensor is housed.
【００１７】図４(b)は、マイクロ圧力センサの第５の
実施形態を示している。この第５の実施形態は、上記の
第４の実施形態に類似したものであるが、該第４の実施
形態とは異なり、電界放出器先端部402の代わりに、基
板416の空洞414内に懸架されたフィラメント412が、熱
電子放出デバイスとして使用される。該フィラメント
は、抵抗性加熱要素として作用し、電子を放出する。第
４の実施形態の場合のように、放出された電子は、ター
ゲット陽極418に向かって加速され、イオン化された気
体分子は、電界放出器フィラメント412に対して負の電
位に保持された導電性表面420に向かって加速される。FIG. 4 (b) shows a fifth embodiment of the micro pressure sensor. This fifth embodiment is similar to the fourth embodiment above, but differs from the fourth embodiment in that instead of the field emitter tip 402, it is inside the cavity 414 of the substrate 416. Suspended filament 412 is used as a thermionic emission device. The filament acts as a resistive heating element and emits electrons. As in the case of the fourth embodiment, the emitted electrons are accelerated toward the target anode 418 and the ionized gas molecules are held at a negative potential with respect to the field emitter filament 412. Accelerated towards surface 420.
【００１８】本発明のマイクロ圧力センサの様々な実施
形態は、10-1〜10-8Torr又はそれ未満の範囲内の圧力変
化に対して良好な感度を有することが可能なものとな
る。第１組の実施形態において気体分子のイオン化に必
要となる電界の強さ、又は第２組の実施形態において電
界放出デバイスを駆動するために必要となる電界の強さ
は、導電性要素間の離隔距離1μmにつき5〜50Vの範囲内
とすることが可能である。電位、電界の強さ、及びデバ
イスの他のパラメータは、構造の変化、デバイスが接続
されることになる外部回路の導電性要素の組成、設計、
大きさ、及び電気的特性の変化や、その他のかかる変数
と共に変化することになる。Various embodiments of the micro pressure sensor of the present invention are capable of having good sensitivity to pressure changes within the range of 10 -1 to 10 -8 Torr or less. The strength of the electric field required for ionization of gas molecules in the first set of embodiments or the strength of the electric field required to drive the field emission device in the second set of embodiments is The separation distance can be within the range of 5 to 50 V per 1 μm. The electric potential, the strength of the electric field, and other parameters of the device depend on structural changes, the composition of the conductive elements of the external circuit to which the device will be connected, the design,
It will change with changes in size and electrical properties, as well as other such variables.
【００１９】特定の実施形態に関して本発明を説明して
きたが、本発明をかかる実施形態に限定する意図はな
い。本発明の思想の範囲内での変形態様は当業者には明
らかであろう。例えば、第２及び第３の実施形態で示し
た連続的な導電性ストリップではなく、一連の隆起した
導電性機構、すなわちマイクロバンプ(bump)を用いて、
電界を生成し、電子の放出及びイオンの吸着のための陽
極及び陰極として機能させることが可能である。更に、
永久磁石をマイクロ圧力センサの平面の上方又は下方に
配設して、導電性要素間の電界内で加速される電子を誘
導して螺旋状の経路で移動させ、これにより、該電子の
飛翔時間を増大させると共に気体分子との衝突の確率を
高めることが可能である。また、様々な異なる基板及び
導体材料を使用して様々な大きさのマイクロ圧力センサ
を作製することにより、該マイクロ圧力センサの導電性
要素に加えられる許容可能な電位差に対して所望の感度
を与えることが可能である。上記の５つ全ての実施形態
は、任意数の周知の異なる半導体マイクロチップ製造技
術を用いて製造することができる。マイクロ圧力センサ
の３つの実施形態の構成要素に更に別の構造及び形状を
用いて、様々な所望の物理的特性を有するマイクロ圧力
センサを製造することができる。マイクロ圧力センサの
圧力検知機能と一体の電流検出回路は、マイクロ圧力セ
ンサを収容する低圧エンクロージャの外部に配置するこ
と、マイクロ圧力センサと共に内部に配置すること、又
はマイクロ圧力センサ内に組み込むことが可能である。Although the present invention has been described in terms of particular embodiments, there is no intent to limit it to such embodiments. Variations within the spirit of the invention will be apparent to those skilled in the art. For example, using a series of raised conductive features, or microbumps, rather than the continuous conductive strips shown in the second and third embodiments,
It is possible to generate an electric field and act as an anode and a cathode for the emission of electrons and the adsorption of ions. Furthermore,
Permanent magnets are placed above or below the plane of the micro pressure sensor to induce electrons to accelerate in an electric field between the conductive elements to move in a spiral path, which results in a flight time of the electrons. And the probability of collision with gas molecules can be increased. Also, various sizes of micro pressure sensors are made using a variety of different substrates and conductor materials to provide the desired sensitivity to an acceptable potential difference applied to the conductive elements of the micro pressure sensor. It is possible. All five embodiments described above can be manufactured using any number of different well-known semiconductor microchip manufacturing techniques. Still other structures and geometries can be used in the components of the three embodiments of the micro pressure sensor to produce micro pressure sensors with various desired physical properties. The current sensing circuit, which is integrated with the pressure sensing function of the micro pressure sensor, can be located outside the low pressure enclosure containing the micro pressure sensor, inside the micro pressure sensor, or integrated within the micro pressure sensor. Is.
【００２０】上記説明は、説明を目的としたものであ
り、本発明の完全な理解を与えるために特定の用語を用
いた。しかし、本発明の実施のためにかかる特定の細部
が必ずしも必要ないことは当業者には明らかであろう。
本発明の特定の実施形態に関する上記説明は、本発明の
例示及び説明を目的として提供したものである。それら
は、本発明を網羅することや本発明を本開示と全く同じ
形態に限定することを意図したものではない。上記教示
に鑑み多くの変更形態及び変形形態を実現可能であるこ
とは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理
及びその実用上の応用形態を最もわかりやすく説明し、
これにより、当業者が意図する特定の用途に適するよう
に本発明及び種々の変更形態を有する種々の実施形態を
利用できるようにするために、図示し説明したものであ
る。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等価物に
より画定されることが意図されている。The descriptions above are intended to be illustrative, and specific terminology has been used to provide a thorough understanding of the invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that such specific details are not necessarily required to practice the invention.
The foregoing descriptions of specific embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description of the present invention. They are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the exact form disclosed. Obviously, many modifications and variations are possible in view of the above teachings. The embodiments best explain the principles of the invention and its practical applications.
This is illustrated and described so as to enable the skilled artisan to utilize the invention and various embodiments with various modifications to suit the particular application intended. It is intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.
【図１】特定のタイプの低圧MEMSデバイスを示す斜視図
である。FIG. 1 is a perspective view showing a particular type of low voltage MEMS device.
【図２】(a),(b)は、典型的なMEMS圧力検出デバイスの
２つの部分を示す断面図である。2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views showing two parts of a typical MEMS pressure sensing device.
【図３】(a)〜(c)は、マイクロ圧力センサの第１ないし
第３の実施形態をそれぞれ示す斜視図である。3 (a) to 3 (c) are perspective views showing first to third embodiments of the micro pressure sensor, respectively.
【図４】(a),(b)は、マイクロ圧力センサの第４および
第５の実施形態をそれぞれ示す斜視図である。4A and 4B are perspective views showing a fourth and fifth embodiments of the micro pressure sensor, respectively.
302 第１の導電性機構 304 第２の導電性機構 308,312,328,340 非導電性基板 322、324 外側導電性ストリップ 326 内側導電性ストリップ 332 外側環状導電性ストリップ 334 内側環状導電性ストリップ 336 中間環状導電性ストリップ 302 First conductive mechanism 304 Second conductive mechanism 308,312,328,340 Non-conductive substrate 322, 324 Outer conductive strip 326 inner conductive strip 332 Outer annular conductive strip 334 Inner annular conductive strip 336 Intermediate annular conductive strip
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA39 BB08 CC46 CC48 DD20 EE40 FF11 GG11 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F term (reference) 2F055 AA39 BB08 CC46 CC48 DD20 EE40 FF11 GG11
Claims (10)
圧エンクロージャ内に収容されるマイクロ圧力センサで
あって、 非導電性基板(308)上に堆積される第１の導電性機構(30
2)と、 非導電性基板(312)上に堆積され、前記第１の導電性機
構(302)から離隔された、第２の導電性機構(304)と、 前記第１の導電性機構(302)と前記第２の導電性機構(30
4)とに接続された回路であって、該第１の導電性機構(3
02)と該第２の導電性機構(304)との間に電位差を確立
し、該第１の導電性機構(302)と該第２の導電性機構(30
4)との間のグロー放電の電流を測定する電流検知回路を
含む、回路とを備えている、マイクロ圧力センサ。1. A micro pressure sensor housed in a low pressure enclosure for a microelectronic device, the first conductive feature (30) deposited on a non-conductive substrate (308).
2), a second conductive feature (304) deposited on the non-conductive substrate (312) and spaced from the first conductive feature (302), and the first conductive feature (304). 302) and the second conductive mechanism (30
4) a circuit connected to the first conductive mechanism (3
02) and the second conductive mechanism (304), a potential difference is established between the first conductive mechanism (302) and the second conductive mechanism (30).
4) a circuit including a current detection circuit for measuring a glow discharge current between the micro pressure sensor and the circuit.
板(328)上に堆積された２つの外側導電性ストリップ(32
2,324)を含み、前記第２の導電性機構が、前記２つの外
側導電性ストリップ(322,324)間で前記非導電性基板(32
8)上に堆積された内側導電性ストリップ(326)を含み、
前記２つの外側導電性ストリップ及び前記内側導電性ス
トリップが、 連続した金属ストリップと、 隆起した導電性のマイクロバンプの列とを含む導電性ス
トリップの中から選択される、請求項１に記載のマイク
ロ圧力センサ。2. The first conductive feature comprises two outer conductive strips (32) deposited on the non-conductive substrate (328).
2,324), wherein the second electrically conductive feature is arranged between the two outer electrically conductive strips (322,324) to provide the non-conductive substrate (32).
8) including an inner conductive strip (326) deposited on,
2. The micro according to claim 1, wherein the two outer conductive strips and the inner conductive strip are selected from among conductive strips comprising a continuous metal strip and a row of raised conductive micro-bumps. Pressure sensor.
板(340)上に堆積された内側環状導電性ストリップ(334)
及び外側環状導電性ストリップ(332)を含み、前記第２
の導電性機構が、前記内側環状導電性ストリップと前記
外側環状導電性ストリップとの間で前記非導電性基板(3
40)上に堆積された中間環状導電性ストリップ(336)を含
み、前記内側環状導電性ストリップ、前記外側環状導電
性ストリップ、及び前記中間環状導電性ストリップが、 連続した環状金属ストリップと、 隆起した導電性のマイクロバンプとを含む導電性ストリ
ップの中から選択される、請求項１に記載のマイクロ圧
力センサ。3. The inner annular conductive strip (334) is deposited on the non-conductive substrate (340) by the first conductive feature.
And an outer annular conductive strip (332), the second
A conductive mechanism of the non-conductive substrate (3) between the inner annular conductive strip and the outer annular conductive strip.
40) including an intermediate annular conductive strip (336) deposited thereon, wherein the inner annular conductive strip, the outer annular conductive strip, and the intermediate annular conductive strip are raised with a continuous annular metal strip. The micro pressure sensor of claim 1, selected from among conductive strips including conductive micro bumps.
の導電性機構(304)が、非導電性基板(308,312)内の空洞
(306)の両側に配置される、請求項１に記載のマイクロ
圧力センサ。4. The first conductive mechanism (302) and the second conductive mechanism (302).
The conductive mechanism (304) of the cavities in the non-conductive substrate (308,312)
The micro pressure sensor according to claim 1, which is arranged on both sides of (306).
圧エンクロージャ内の内圧を監視するための方法であっ
て、 前記マイクロエレクトロニックデバイスの低圧エンクロ
ージャ内に請求項１に記載のマイクロ圧力センサを収容
し、 該マイクロ圧力センサを電流検出回路を含む回路に接続
し、 気体分子と、前記マイクロ圧力センサの構成要素(302,3
04)により生成される電界内で加速される電子との衝突
により生成されるイオン及び電子によって、前記回路に
引き起こされる電流を測定する、という各ステップを含
む、方法。5. A method for monitoring internal pressure in a low pressure enclosure for a microelectronic device, the micropressure sensor according to claim 1 being housed in the low pressure enclosure of the microelectronic device, The sensor is connected to a circuit including a current detection circuit, and the gas molecules and the components of the micro pressure sensor (302, 3
04) measuring the current induced in the circuit by ions and electrons produced by collisions with electrons accelerated in the electric field produced by 04).
圧エンクロージャ内に収容されるマイクロ圧力センサで
あって、 電子源デバイスと、 電界放出器デバイスと共に電界を確立する陽極ターゲッ
トであって、前記電界放出器デバイスにより放出される
電子が該電界内で前記陽極に向かって加速される、前記
陽極ターゲットと、 放出された電子と気体分子との衝突により生成されるイ
オンが引き寄せられ、前記イオンが電流を引き起こす、
付加的な表面と、 前記陽極表面に接続された回路であって、前記放出され
た電子と前記気体分子との衝突により生成される前記イ
オンによって前記回路に引き起こされる前記電流を測定
する電流検知回路を含む、回路とを含む、高真空マイク
ロ圧力センサ。6. A micro pressure sensor housed in a low pressure enclosure for a microelectronic device, comprising an electron source device and an anode target for establishing an electric field with the field emitter device, said field emitter device comprising: The emitted electrons are accelerated in the electric field towards the anode, and the ions produced by the collision of the anode target and the emitted electrons with the gas molecules are attracted, causing the ions to cause a current.
An additional surface and a circuit connected to the anode surface, the current sensing circuit measuring the current induced in the circuit by the ions produced by collisions of the emitted electrons with the gas molecules. A high vacuum micro pressure sensor including a circuit including.
子源デバイスの中から選択される、請求項６に記載のマ
イクロ圧力センサ。7. The micro pressure of claim 6, wherein the electron source device is selected from an electron source device including a field emitter tip and a resistive heating element that acts as a thermionic electron emitter. Sensor.
圧エンクロージャ内の内圧を監視するための方法であっ
て、 前記マイクロエレクトロニックデバイス用の低圧エンク
ロージャ内に請求項６に記載のマイクロ圧力センサを収
容し、 該マイクロ圧力センサを電流検知回路を含む回路に接続
し、 気体分子と、前記マイクロ圧力センサの構成要素により
生成される電界内で加速された電子との衝突により生成
されたイオン及び電子によって前記回路に引き起こされ
た電流を測定する、という各ステップを含む、方法。8. A method for monitoring internal pressure in a low pressure enclosure for microelectronic devices, the micropressure sensor of claim 6 being housed in the low pressure enclosure for microelectronic devices, The pressure sensor is connected to a circuit containing a current sensing circuit, caused in the circuit by ions and electrons generated by collisions of gas molecules with electrons accelerated in the electric field generated by the components of the micro pressure sensor. The method comprises the steps of measuring the stored current.
rrの圧力を測定することができる、請求項１又は請求項
６に記載のマイクロ圧力センサ。9. The current detecting circuit is used to supply 10 −8 to 10 −4 To.
The micro pressure sensor according to claim 1 or 6, which can measure a pressure of rr.
該電子を螺旋状の経路で移動させる、永久磁石を更に含
む、請求項１又は請求項６に記載のマイクロ圧力セン
サ。10. An electron is accelerated in a specific direction in an electric field,
7. The micro pressure sensor according to claim 1 or 6, further comprising a permanent magnet that moves the electrons in a spiral path.
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